태양광 발전의 새로운 가능성 - 염료감응형 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell)

태양광 발전의 새로운 가능성 - 염료감응형 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell)

‘염료감응형(Dye-Sensitized) 태양전지’란? 동진쎄미켐의 염료감응형 태양전지 ‘SOLARCON Korea 2009’ 태양전지 제조기술은 태양전지 종류에 따라 실리콘 태양전지와 화합물 반도체 태양전지 등으로 크게 분류할 수 있으며, 현재 상용화되어 시판되고 있는 태양전지는 단결정 및 다결정 실리콘 태양전지, 비정질 실리콘 태양전지 등이다. 태양전지의 에너지변환효율은 단결정 실리콘 태양전지가 18%, 다결정 실리콘 태양전지 15%, 비정질 실리콘 태양전지 10%로 보고되어 있고, 다양한 소재와 광전변환 방식을 이용한 태양전지의 연구개발이 이루어지고 있다. 한편, 반도체 소재를 적용한 태양전지의 광전변환방식과 달리 광합성의 원리를 이용한 고효율의 광전기화학적 태양전지의 메커니즘이 1991년 Gratzel에 의하여 nature지에 전환효율 7.1%가 보고 및 제작되어 염료감응형 태양전지 (Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC)로 알려지게 되었다.   DSSC의 전환효율은 wide band gap 반도체인 TiO2 (band gap : 3.2eV)를 nano 사이즈 급의 미립자로 사용함으로써 높은 전환효율을 얻을 수 있었으며 현재는 11%이상의 에너지 변환효율을 보이고 있어, 2007년 티모테크놀러지의 상업화 계획이 발표되는 등 많은 관심을 모으고 있다. DSSC는 태양으로부터 입사되는 에너지의 약 44%에 해당하는 가시부 파장영역의 광을 효과적으로 이용하기 위하여 가시부에 선택적 광흡수대를 가지는 색소분자를 이용하고 있다. 일반적으로 색을 나타내는 발색단(Chromophore)을 포함하는 모든 분자를 색소(Colorant)라고 정의할 수 있지만, 다른 기질(섬유나 반도체 전극 등)에 흡착특성을 부여하는 조색단 (Auxo chrome)을 포함하는 경우 염료(Dye)라 정의하므로 염료감응형 태양전지라 명명함이 타당하다고 할 수 있다. DSSC의 경우 기존의 실리콘 태양전지에 버금가는 높은 에너지 효율을 가지며 제조단가는 1/5 수준이라는 저가, 고효율 특성과 함께 투명성과 다양한 색상 구현이 가능하므로 이러한 장점을 이용한 폭넖은 응용성을 지니고 있어 많은 연구자 및 기업의 집중적인 관심의 대상이 되고 있다. 기존의 태양전지와 달리 태양에너지를 흡수하는 역할의 염료분자와 전자를 통한 전하의 이동을 담당하는 wide band gap 반도체의 역할이 분리되어 있으며, 염료분자에 생성된 정공은 산환-환원 프로세스를 이용한 전해질에 의하여 환원됨으로써 태양전지의 작동 과정이 완성되는 원리를 이용하고 있다. DSSC의 전체 국가별 특허 출원 동향을 보면 1991년 EPEL (Ecole Polytechinique Fedrale de Lausanne)의 특허 출원 이후 매년 증가하여 2003년 250여건의 특허가 출원되는 등 세계적으로 활발한 연구가 수행되고 있음을 알 수 있다. 염료감응형 태양전지의 구성 및 작동 원리 염료감응형 태양전지의 구조 및 루테늄계 염료 구조 (출처: Fraunhofer Institut Solare Energiesysteme) 이 그림은 DSSC의 일반적인 구조를 나타낸 것이다. TCO 전극 위에 나노미터크기의 wide band gap 반도체 미립자가 적당한 간격으로 쌓여져 있는 구조를 가지며 반도체 미립자 표면에는 염료가 흡착되어 있다. 나노사이즈의 미립자를 사용하여 염료가 흡착할 수 있는 표면적을 극대화함으로써 보다 큰 기전력을 확보할 수 있게 되었다. 반도체 미립자와 전극과의 사이에 전해질 용액이 주입되어 있으며 그 위에 Pt 전극이 있는 간단한 구조를 가지고 있다. 일반적으로 그림에서 표시한 것과 같이 반도체 소재로는 TiO2를 이용하고 염료 분자는 Ru-complex를 사용하고 있다. 염료감응형 태양전지의 작동 원리 (출처: AISIN) 이 그림은 염료감응형 태양전지의 작동 원리를 표시한 것이다. DSSC에서 전자-정공쌍의 분리는 염료분자가 화학적으로 흡착된 나노입자 반도체 산화물 전극의 표면에서 이루어지게 된다. 태양광이 흡수되면 염료 분자의 HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 레벨에서 LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital)로 전자 천이가 발생되고 이 전자는 반도체 산화물의 전도띠로 주입된다. 주입된 전자는 산화물 전극의 입자간 계면을 통하여 전도성 막으로 이동하고 전류를 생성하게 된다. 이 때 염료분자의 HOMO에 생성된 홀은 전해질에 의하여 환원되어 태양전지의 작동과정을 완성하게 된다. 따라서 DSSC의 핵심 소재는 크게 세가지로 구분되어 염료, 금속산화물, 전해질로 나뉘어지고 이들 재료들이 가지는 에너지 레벨의 조합 및 화학적 상용성, 물리적 특성이 전체 DSSC 의 광변환효율 및 광전 특성을 결정하게 된다. 염료감응형 태양전지의 특징 및 상용화 전망 일반적인 실리콘 태양전지에 비교한 염료감응형 태양전지 특징과 장단점을 정리하면 다음과 같다. 현재 기술 수준은 실리콘 태양전지의 변환효율에 비하여 떨어지지만, 이론적 한계 변환효율 (33%)은 오히려 높아 효율 증진이 기대되고, 저렴한 제조 비용이 가장 큰 장점으로 부각되고 있다. 원재료의 수급에 있어서도 실리콘 태양전지에 비하여 자원적 제약이 적으며, 고온, 고진공을 사용하지 않는 친환경적 공정이 가능하다. 또한 다양한 반도체 산화물 전극을 도입할 수 있으며 이에 따른 유기 염료 구조의 개선과 최적화를 통하여 고효율 및 환경오염 물질의 배출을 최소화할 수 있다. 특히, 투명 태양전지의 제작이 용이하며 사용하는 염료구조의 다변화를 통하여 다양한 색상의 구현이 가능하여 새로운 용도 개발에 대한 가능성이 높다고 할 수 있다. 위에서 제시한 다양한 장점을 바탕으로 많은 연구 결과와 함께 상용화 계획이 각 기업으로부터 발표되고 있다. 유럽의 경우 INAP, Fraunhofer 연구소, Solaronix, ECN을 중심으로 상용화 검토가 진행 중이며, 미국은 Konarka, Dupont, GE를 중심으로 호주는 Dyesol이 주도적으로 상용화를 진행 중에 있다. 미국의 티모테크놀러지는 2008년 상업화 계획을 발표하였으며 일본의 경우 2010년 실용화를 목표로 많은 연구가 활발히 진행 중에 있다. 한국의 경우 동진쎄미켐이 시험생산체제를 갖추고 BIPV 시장을 공략한다는 계획을 가지고 있으며 이 외에 우리솔라, 삼성 SDI, 상보, 이건창호 등이 연구개발을 진행 중이거나 개발 계획을 발표 한 바 있다. 이 칼럼은 디스플레이뱅크에서 발행 한 ‘태양광 발전의 기술동향’ 리포트를 바탕으로 작성되었다. 디스플레이뱅크는 또한 ‘염료감응형 태양전지(DSSC) 기술 및 시장 전망’ 리포트를 현재 준비 중이며 2월 16일 발행할 예정이다.

 

 

 출처 : http://www.solarnenergy.com/kor/column/show.php?c_id=3803